一种自治水下机器人及路径跟随控制方法、装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种自治水下机器人及路径跟随控制方法、装置，涉及机器人技术领域。获取搭建的自治水下机器人运动系统；根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统的非线性动态系统；接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写；基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入‑状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器，并对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。

An Autonomous Underwater Vehicle and Its Path Following Control Method and Device

【技术实现步骤摘要】
一种自治水下机器人及路径跟随控制方法、装置
本专利技术涉及机器人
，具体而言，涉及一种自治水下机器人及路径跟随控制方法、装置。
技术介绍
自治水下机器人可在没有人工实时控制的情况下，代替或协助人类在水下完成各种艰苦或危险的工作，对其研发显得非常重要。水下机器人工作在充满未知和挑战的水下环境中，风、浪、流、深水压力等复杂的水下环境对水下机器人的运动干扰严重，传统的陆地机器人路径跟随控制无法简单推广到水下机器人路径跟随控制中，必须寻求复杂水下环境中的路径控制策略。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种自治水下机器人及路径跟随控制方法、装置，以改善现有技术中水下环境对水下机器人的运动干扰严重的问题。本专利技术较佳实施例提供了一种自治水下机器人路径跟随控制方法，包括以下步骤：获取搭建的自治水下机器人运动系统；其中，所述自治水下机器人运动系统包括推动器、负载、定位模块以及机器人基体；根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统的非线性动态系统；其中，所述非线性动态系统包括所述自治水下机器人的动力学模型；接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写；基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器；基于所述非线性鲁棒反步控制器对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。优选地，所述自治水下机器人的动力学模型为：其中，m是自治水下机器人的质量；r是自治水下机器人作业时的三维位置坐标，且r＝[rx，ry，rz]T；Fm是所述推动器给自治水下机器人的驱动力，且Fm＝[Fmx，Fmy，Fmz]T；Fd是自治水下机器人在水中运动时所受到的液体粘滞阻力，且Fd＝[Fdx，Fdy，Fdz]T。优选地，接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写的步骤为：将所述自治水下机器人的外观简化成球形，由斯托克斯公式得，Fd＝6πηRυ(2)其中，η为自治水下机器人所处水环境的液体粘滞系数，R为自治水下机器人的半径，υ＝[υx，υy，υz]T为自治水下机器人在水下作业时相对水环境的运动速度；定义rd为自治水下机器人作业时的预设路径坐标，ro为自治水下机器人作业时由所述定位模块获得的实时位置的坐标，并对自治水下机器人水下作业时的路径跟随控制目标可转换成使位置误差e＝rd-ro以及趋于0；将公式(1)改写成状态空间表达式，进一步定义公式(1)变为：其中，以及优选地，所述自治水下机器人的干扰项包括自治水下机器人水下作业时遇到的风、浪、流或深水压，将所述干扰项归结至系数Δ＝[Δx，Δy，Δz]T中，并把Δ看成未知的有界系数向量，则公式(1)变为：转换成状态空间表达式，公式(2)变为：优选地，基于自治水下机器人的干扰项、实时位置与输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器的步骤包括：基于输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器：其中，k1，k2以及δ为非负控制增益。对于所述非线性动态系统，建立如下的李雅普诺夫函数：对公式(7)进行求导得到：由不等式其中δ＞0；将不等式(9)代入公式(8)，可得：将所述非线性鲁棒反步控制器(6)代入不等式(10)，得到：取一正数K＝min{k1，k2}，不等式(10)可简化为：对不等式(12)两边各乘e2Kt，并对其在[0,t]进行积分，得到：对不等式(13)两边各作开平方运算，并将李雅普诺夫函数(7)代入不等式(13)，得：不等式(14)反映整个路径跟随控制系统的输入-状态稳定性，并且其表明了在有界未知干扰的作用下，位置跟踪误差和速度跟踪误差的上界，如此，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。本专利技术实施例还提供一种自治水下机器人路径跟随控制装置，包括：运动系统获取单元，用于获取搭建的自治水下机器人运动系统；其中，所述自治水下机器人运动系统包括推动器、负载、定位模块以及机器人基体；非线性系统生成单元，用于根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统的非线性动态系统；其中，所述非线性动态系统包括所述自治水下机器人的动力学模型；改写单元，用于接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写；控制器生成单元，用于基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器；控制单元，用于基于所述非线性鲁棒反步控制器对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。本专利技术实施例还提供一种自治水下机器人，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的可执行代码，所述可执行代码能够被所述处理器执行以实现上述的路径跟随控制方法。上述实施例中，通过构造自治水下机器人运动系统，并建立自治水下机器人运动系统的非非线性动态系统，并基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术第一实施例提供的自治水下机器人运动系统的结构示意图；图2为本专利技术第一实施例提供的自治水下机器人路径跟随控制方法的流程示意图；图3为本专利技术第二实施例提供的自治水下机器人路径跟随控制装置的结构示意图。图标：100-自治水下机器人运动系统；10-推动器；20-负载；30-定位模块；40-机器人基体；210-运动系统获取单元；220-非线性系统生成单元；230-改写单元；240-控制器生成单元；250-控制单元。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和生成。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本专利技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。请参阅图1，本专利技术第一实施例提供了一种自治水下机器人路径跟随控制方法，包括以下步骤：S101，获取搭建的自治水下机器人运动系统100。其中，如图2所示，所述自治水下机器人运动系统100包括推动器10、负载20、定位模块30以及机器人基体40。S102，根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自治水下机器人路径跟随控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取搭建的自治水下机器人运动系统；其中，所述自治水下机器人运动系统包括推动器、负载、定位模块以及机器人基体；根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统的非线性动态系统；其中，所述非线性动态系统包括所述自治水下机器人的动力学模型；接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写；基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入‑状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器；基于所述非线性鲁棒反步控制器对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。

【技术特征摘要】
1.一种自治水下机器人路径跟随控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取搭建的自治水下机器人运动系统；其中，所述自治水下机器人运动系统包括推动器、负载、定位模块以及机器人基体；根据物理学原理，生成所述自治水下机器人运动系统的非线性动态系统；其中，所述非线性动态系统包括所述自治水下机器人的动力学模型；接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写；基于自治水下机器人的干扰项、实时位置以及预设的输入-状态稳定性理论，生成非线性鲁棒反步控制器；基于所述非线性鲁棒反步控制器对自治水下机器人运动系统进行控制，使得自治水下机器人自主独立完成精确路径跟随作业并实现稳定工作。2.根据权利要求1所述的自治水下机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述自治水下机器人的动力学模型为：其中，m是自治水下机器人的质量；r是自治水下机器人作业时的三维位置坐标，且r＝[rx，ry，rz]T；Fm是所述推动器给自治水下机器人的驱动力，且Fm＝[Fmx，Fmy，Fmz]T；Fd是自治水下机器人在水中运动时所受到的液体粘滞阻力，且Fd＝[Fdx，Fdy，Fdz]T。3.根据权利要求2所述的自治水下机器人路径跟随控制方法，其特征在于，接收所述定位模块获取的所述自治水下机器人的实时位置，并根据所述动力学模型对所述实时位置进行改写的步骤为：将所述自治水下机器人的外观简化成球形，由斯托克斯公式得，Fd＝6πηRv(2)其中，η为自治水下机器人所处水环境的液体粘滞系数，R为自治水下机器人的半径，v＝[vx，vy，vz]T为自治水下机器人在水下作业时相对水环境的运动速度；定义rd为自治水下机器人作业时的预设路径坐标，ro为自治水下机器人作业时由所述定位模块获得的实时位置的坐标，并对自治水下机器人水下作业时的路径跟随控制目标可转换成使位置误差e＝rd-ro以及趋于0；将公式(1)改写成状态空间表达式，进一步定义公式(1)变为：其中，以及4.根据权利要求3所述的自治水下机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述自治水下机器人的干扰项包括自治水下机器人水下作业时遇到的风、浪、流或深水压，将所述干扰项归结至系数Δ＝[...

【专利技术属性】
技术研发人员：马玮城，宦智杰，徐敏，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：发明
国别省市：福建,35